魏寶慶

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司

動(dòng)態(tài)軌道衡在煤炭港口計(jì)量中的應(yīng)用

魏寶慶

神華黃驊港務(wù)有限責(zé)任公司

神華黃驊港是我國(guó)西煤東運(yùn)的重要煤炭中轉(zhuǎn)輸出港，年接卸中轉(zhuǎn)原煤近1億噸，隨著港口煤炭吞吐量的不斷增加，對(duì)進(jìn)港煤炭計(jì)量的要求也越來(lái)越高，保證軌道衡系統(tǒng)的高精度高可靠性運(yùn)行越顯突出。本文通過(guò)對(duì)黃驊港翻車機(jī)自動(dòng)卸車作業(yè)模式下的幾種軌道衡計(jì)量方案進(jìn)行分析比對(duì)，結(jié)合實(shí)際情況，對(duì)動(dòng)態(tài)軌道衡在煤炭港口計(jì)量中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)闡述。

翻車機(jī)；軌道衡；計(jì)量；聯(lián)網(wǎng)

序言

神華黃驊港是我國(guó)西煤東運(yùn)的重要煤炭中轉(zhuǎn)輸出港，年接卸中轉(zhuǎn)原煤近1億噸，其到港運(yùn)煤火車的卸煤是利用翻車機(jī)自動(dòng)卸車，這就涉及一個(gè)卸煤量的統(tǒng)計(jì)計(jì)量，一般對(duì)到達(dá)車輛的計(jì)量有三種方法可以實(shí)現(xiàn)。

1、進(jìn)入港口鐵路主線上設(shè)置動(dòng)態(tài)軌道衡

當(dāng)列車通過(guò)后，動(dòng)態(tài)稱出毛重，再利用貨車固有皮重，計(jì)算凈重。這里面，由于使用的是貨車車皮的固有皮重，這樣，當(dāng)車皮進(jìn)行修理或運(yùn)行一段時(shí)間，皮重會(huì)發(fā)生變化；另外，冬季會(huì)出現(xiàn)凍煤現(xiàn)象，即煤被凍在車皮內(nèi)側(cè)，造成不能完全卸凈，這時(shí)我們要統(tǒng)計(jì)凈進(jìn)煤量，就會(huì)帶來(lái)更大的誤差。優(yōu)點(diǎn)：此種方法優(yōu)點(diǎn)是一次性投入成本低，便于使用，設(shè)備可以共享。缺點(diǎn)：各種因素造成計(jì)量不準(zhǔn)確，雖然一次性投入低，但由于每日卸煤量較大，對(duì)于日積月累的誤差，其損失要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一次性投入的成本。

2、在翻車機(jī)房?jī)?nèi)的翻車平臺(tái)安裝軌道衡

此種軌道衡是安裝在翻車機(jī)平臺(tái)上，采用靜態(tài)計(jì)量的方法。首先，煤車進(jìn)入翻車機(jī)，對(duì)位后，計(jì)量毛重，待卸車回位后，計(jì)量皮重，自動(dòng)計(jì)算出凈重。優(yōu)點(diǎn)：靜態(tài)計(jì)量精度高，自動(dòng)去皮，凈重統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：由于是安裝在翻車機(jī)平臺(tái)上，維護(hù)不方便，當(dāng)軌道衡出現(xiàn)問(wèn)題，必須要停止卸車作業(yè)；另外，由于靜態(tài)計(jì)量，要等車輛停穩(wěn)，勢(shì)必要耽擱時(shí)間，如果按一個(gè)循環(huán)耽擱10秒計(jì)算，那么一列車33循環(huán)就耽擱5分多鐘，這就間接影響了卸車作業(yè)。

3、在翻車機(jī)房的入口和出口處安裝動(dòng)態(tài)軌道衡

此種方式是在翻車機(jī)房的入口位置和出口位置各安裝一臺(tái)軌道衡，入口處計(jì)量毛重，當(dāng)卸車完畢，在出口處計(jì)量皮重，二者合一計(jì)算凈重。優(yōu)點(diǎn)：由于采用動(dòng)態(tài)計(jì)量，提高作業(yè)效率，自動(dòng)回皮，卸煤量統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確；獨(dú)立于翻車機(jī)設(shè)備，互不影響。缺點(diǎn)：一次投入較高，精度與方案2比稍低，但由于車輛速度慢，相當(dāng)于準(zhǔn)靜態(tài)，因此，精度還是有保障的。

鑒于以上分析比對(duì)，黃驊港軌道衡計(jì)量采用了第三種方案，現(xiàn)就此方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

一、系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)是兩套軌道衡分別安裝在翻車機(jī)房的入口和出口處，入口軌道衡用于計(jì)量重車，出口軌道衡用于計(jì)量空車。如下示意圖1。軌道衡系統(tǒng)主要由機(jī)械秤臺(tái)、傳感器、儀表、軟件、計(jì)算機(jī)等組成。

圖1

1、機(jī)械秤臺(tái)：機(jī)械秤臺(tái)就軌道形式分為斷軌和不斷軌，斷軌是機(jī)械秤臺(tái)與軌道獨(dú)立，連接處以過(guò)渡器連接，這種形式臺(tái)面軌與引軌存在8mm左右的軌縫，當(dāng)車輪上稱通過(guò)該軌縫時(shí)，存在一定的沖擊，該沖擊對(duì)稱量精度以及稱臺(tái)的機(jī)械狀態(tài)都有一定的影響，根據(jù)翻車機(jī)實(shí)際作業(yè)方式，無(wú)論是定位車牽引重車，還是推車機(jī)推動(dòng)空車，都存在啟動(dòng)、加速、減速、剎車的作業(yè)過(guò)程，這種車輪在稱臺(tái)臺(tái)面上頻繁啟動(dòng)、剎車，會(huì)造成稱臺(tái)主梁的竄動(dòng)，使得傳感器傾斜、軌縫頂死，影響稱量精度。因此，我們選用的是不斷軌形式，即秤臺(tái)與整體道床采用一根整軌，采用剪力傳感器來(lái)進(jìn)行劃分計(jì)量區(qū)間，此種結(jié)構(gòu)維護(hù)簡(jiǎn)單，對(duì)秤臺(tái)沖擊小。

不斷軌機(jī)械稱臺(tái)的安裝方式同斷軌機(jī)械稱臺(tái)的安裝方式相同，傳感器底座及稱臺(tái)具有可調(diào)節(jié)性，一旦基礎(chǔ)下沉，機(jī)械稱臺(tái)部分可通過(guò)調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行調(diào)整設(shè)備高度。

剪力傳感器的安裝位置對(duì)于斷軌軌道衡來(lái)說(shuō)就是軌縫所處位置，稱量區(qū)就是兩只剪力傳感器中間區(qū)域，數(shù)據(jù)采樣段長(zhǎng)度同斷軌軌道衡一樣。增加了四只剪力傳感器解決掉了斷軌道縫這個(gè)容易發(fā)生故障的難題，例如由于軌縫存在造成的過(guò)輪時(shí)的沖擊、鋼軌錯(cuò)牙、軌縫頂死、修磨過(guò)渡器、沖擊造成的傳感器損壞等，并且斷軌軌道衡如果長(zhǎng)期維護(hù)不當(dāng)，限位松動(dòng)，容易造成傳感器傾倒、承重梁下沉，過(guò)車會(huì)造成列車顛覆的可能。

不斷軌形式具有如下特點(diǎn)：

（1）不斷軌式動(dòng)態(tài)軌道衡臺(tái)面上面采用25米整根鋼軌直接從臺(tái)面上鋪過(guò)去，由于沒(méi)有了軌道接縫，列車過(guò)衡時(shí)無(wú)沖擊，稱臺(tái)上的傳感器不受列車車輪上下稱臺(tái)而產(chǎn)生的沖擊荷載影響；

（2）計(jì)量時(shí)列車過(guò)衡速度可達(dá)到0～30km/h，計(jì)量速度范圍優(yōu)于斷軌形式；

（3）稱臺(tái)臺(tái)面尺寸與斷軌式動(dòng)態(tài)軌道衡的臺(tái)面尺寸基本一樣，但由于25米整根道軌鋪設(shè)在軌道衡的臺(tái)面上，其臺(tái)面上設(shè)有8只傳感器，由于稱臺(tái)不是相對(duì)獨(dú)立式的，對(duì)稱量軟件要求高；

（4）不斷軌式動(dòng)態(tài)軌道衡采用的是整根鋼軌，由于稱臺(tái)臺(tái)面軌與鐵路軌間沒(méi)有軌道接縫，所以在實(shí)際使用過(guò)程中不需要調(diào)整軌道接頭處的軌面高差、軌距線錯(cuò)牙和鋼軌接頭軌縫尺寸，維護(hù)量較小。

2、傳感器：傳感器是檢測(cè)和自動(dòng)控制應(yīng)用中的首要環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)使用了四只壓力傳感器和四只剪力傳感器，它們是電阻應(yīng)變式傳感器。傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。

該類傳感器具有精度高、測(cè)量范圍廣、壽命長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻響特性好、能在惡劣條件下工作、易于實(shí)現(xiàn)小型化、整體化和品種多樣化等優(yōu)點(diǎn)。

其中，壓力傳感器用于稱重，安裝在秤臺(tái)的承重梁下，位于四個(gè)角部。剪力傳感器通過(guò)鋼軌軌腰的孔進(jìn)行安裝。一方面負(fù)責(zé)重量采集，與壓力采集的重量合成，另一方面進(jìn)行火車輪軸的識(shí)別。

3、儀表：儀表把傳感器的模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理放大后，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)的計(jì)量軟件進(jìn)行邏輯判斷、計(jì)算，得到相應(yīng)重量。

二、原理

在以往的計(jì)量中，工控計(jì)算機(jī)做數(shù)據(jù)采集和處理工作時(shí)，系統(tǒng)資源是由WINDOWS系統(tǒng)統(tǒng)一調(diào)度的，應(yīng)用程序不能直接控制系統(tǒng)資源，如果采用高級(jí)的數(shù)據(jù)處理算法，一方面對(duì)系統(tǒng)資源占用較多，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，使系統(tǒng)運(yùn)行速度變慢，另一方面，在有限的時(shí)間內(nèi)操作系統(tǒng)未必能提供足夠的系統(tǒng)資源及時(shí)完成相應(yīng)的工作。如我公司前期的幾臺(tái)軌道衡，采用的就是計(jì)算機(jī)中安裝數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)同時(shí)又負(fù)責(zé)邏輯計(jì)算。由于數(shù)據(jù)采集實(shí)時(shí)性要求較高，能否將數(shù)據(jù)采集和邏輯計(jì)算分開(kāi)，從而提高計(jì)量的可靠性呢？答案是肯定的，我們新安裝的不斷軌軌道衡就是采用嵌入式通道系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)就是把信號(hào)實(shí)時(shí)采集、處理部分與數(shù)據(jù)庫(kù)管理及人機(jī)界面部分分開(kāi)，提高采樣、處理部分程序的可靠性，而不增加上位機(jī)的負(fù)擔(dān)。該系統(tǒng)把有實(shí)時(shí)性要求的工作由嵌入式系統(tǒng)部分獨(dú)立完成，所有的硬件資源（CPU時(shí)間、內(nèi)存）全部用于數(shù)據(jù)采集和處理，保證可靠、連續(xù)的采樣；上位機(jī)的所有資源都可用于數(shù)據(jù)庫(kù)管理和人機(jī)界面，即使在稱重的同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)查詢等大量使用CPU時(shí)間的工作時(shí)也不會(huì)對(duì)稱重有任何影響。

采用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的軌道衡，底層核心的數(shù)據(jù)采集、處理部分由嵌入式系統(tǒng)儀表專門完成，這一部分的軟、硬件比工控機(jī)更安全，不會(huì)感染病毒，系統(tǒng)不會(huì)崩潰，系統(tǒng)軟件部分通常是不需要維護(hù)的。而上位機(jī)部分僅提供界面與數(shù)據(jù)管理，與底層硬件無(wú)關(guān)，與普通計(jì)算機(jī)的功能沒(méi)有區(qū)別，只要有一定計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)的人員都可以做維護(hù)。

1、儀表組成 ：此時(shí)儀表包含嵌入式主機(jī)板、信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)、A/D轉(zhuǎn)換，電源等4大部分。如圖2。

圖2

從圖2中看出，傳感器信號(hào)首先進(jìn)入信號(hào)調(diào)理系統(tǒng)，經(jīng)此系統(tǒng)放大、濾波后，送至A/D轉(zhuǎn)換器，經(jīng)過(guò)主機(jī)板的控制，A/D負(fù)責(zé)模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換后，再送至嵌入式主機(jī)板，然后，由主機(jī)板把數(shù)字信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)進(jìn)行邏輯運(yùn)算。以上簡(jiǎn)單示意了一路傳感器信號(hào)的過(guò)程，我們采用的儀表可以同時(shí)接入8路信號(hào)，這樣，在計(jì)量時(shí)，即直觀看到各個(gè)秤臺(tái)傳感器狀態(tài)，又實(shí)現(xiàn)了高效的數(shù)據(jù)采集。

多只傳感器采集到的多個(gè)模擬信號(hào)分別連接到信號(hào)調(diào)理模塊的多個(gè)輸入端，分別輸入信號(hào)調(diào)理模塊單獨(dú)進(jìn)行放大、濾波，使用低通濾波器濾除信號(hào)中的高頻干擾信號(hào)。信號(hào)調(diào)理模塊的濾波和放大電路選用的是進(jìn)口的低溫漂、低噪聲、高可靠性、高集成度的AD芯片，具有共模抑制比高、精度高的優(yōu)點(diǎn)。濾波器采用有源低通濾波電路加端口元件低通濾波等三級(jí)濾波，用于消除多只傳感器輸出信號(hào)中包含的高頻干擾成分，因此，抗干擾能力極強(qiáng)，解決了單組信號(hào)傳輸易受影響的問(wèn)題，同時(shí)加裝有零點(diǎn)調(diào)整和增益調(diào)整的電位器，以確保每組信號(hào)性能的一致性。輸入信號(hào)調(diào)理模塊的多路輸出端分別與嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊的多路輸入端連接。嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，并進(jìn)行存儲(chǔ)。嵌入式數(shù)據(jù)采集模塊通過(guò)總線模塊與計(jì)算機(jī)連接。

2、軟件：我們采用的是WINDOWS XP平臺(tái)下的應(yīng)用軟件，WINDOWS環(huán)境易于管理及聯(lián)網(wǎng)。軟件首先接收由儀表傳送的數(shù)據(jù)，然后，軟件經(jīng)過(guò)濾波算法，濾除一般性干擾，然后根據(jù)特定算法，計(jì)算重量。

（1）數(shù)據(jù)處理模塊

該模塊首先接收來(lái)自嵌入式儀表發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行數(shù)字濾波，我們采用的是數(shù)據(jù)平滑濾波技術(shù)，這樣既能保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，又能濾除異常的數(shù)據(jù)變動(dòng)。

（2）邏輯判別模塊

本模塊包含輪軸判別和轉(zhuǎn)向架判別。輪軸判別使用剪力傳感器的特性進(jìn)行判別。

圖3

由上圖3，綠色線為剪力傳感器車輪軸上秤臺(tái)方向的特性曲線；紅色為下稱臺(tái)方向的曲線；由于此固有的特性，我們?cè)O(shè)置它的中心點(diǎn)為參考點(diǎn)，以此點(diǎn)為中心，當(dāng)上下浮動(dòng)到某一特定域值，我們很容易判別輪軸的上下，且連續(xù)兩個(gè)周期，即為一個(gè)轉(zhuǎn)向架。

（3）重量計(jì)算模塊

整車的重量計(jì)算就是前后兩個(gè)轉(zhuǎn)向架的累加，由于我們上面已經(jīng)求得每個(gè)轉(zhuǎn)向架的重量，那么，接下來(lái)就是相加，并進(jìn)行格式化的輸出以及保存。

（4）數(shù)據(jù)追溯

在實(shí)際使用中，設(shè)備出現(xiàn)故障是在所難免的，但如何能夠快速查到原因，有效解決問(wèn)題，是在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要充分考慮的，這里，我們?cè)O(shè)計(jì)了原始采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，該模塊能夠全程記錄整列車計(jì)量的全部原始數(shù)據(jù)，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，我們能夠很容易地找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，然后，以波形的形式繪制，使計(jì)量再現(xiàn)，通過(guò)分析波形，我們就可以找出問(wèn)題的所在。上圖3就是通過(guò)數(shù)據(jù)采樣繪制的數(shù)據(jù)波形的一部分。

三、優(yōu)化組合

從上面分析看出，每條翻車機(jī)線路有兩臺(tái)軌道衡，每臺(tái)軌道衡需要秤臺(tái)、儀表、計(jì)算機(jī)；顯然，這里面有些設(shè)備是能共享的，機(jī)械秤臺(tái)入口和出口需要分別安裝，然后，用一臺(tái)多通道儀表，分別采集兩臺(tái)設(shè)備的信號(hào)，然后，利用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制兩臺(tái)設(shè)備，稱量毛重和皮重，計(jì)量好的完整數(shù)據(jù)，上傳到公司服務(wù)器，這樣，既便于管理又節(jié)省了投入。實(shí)際應(yīng)用中，兩個(gè)秤臺(tái)同時(shí)用一個(gè)軟件計(jì)量，計(jì)量后，自動(dòng)合成，計(jì)算凈重。

四、聯(lián)網(wǎng)

由于黃驊港內(nèi)信息化管理的要求，軌道衡數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)上傳是必需的。

1、本地原始數(shù)據(jù)庫(kù)

本地原始數(shù)據(jù)庫(kù)存放在計(jì)量計(jì)算機(jī)中，只負(fù)責(zé)存儲(chǔ)每次過(guò)衡的原始數(shù)據(jù)記錄，即皮重、毛重、時(shí)間、車號(hào)信息。由于數(shù)據(jù)量小，因此選用了ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)形式。

2、本地整合數(shù)據(jù)庫(kù)

需要把計(jì)量數(shù)據(jù)的原始信息和到港信息進(jìn)行整合，因此，選擇了SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)形式，該數(shù)據(jù)庫(kù)便于聯(lián)網(wǎng)，用戶訪問(wèn)。便于和大型數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)交換。

3、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)

該數(shù)據(jù)庫(kù)為大型數(shù)據(jù)庫(kù)，因此使用ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)。該數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)面向Internet計(jì)算環(huán)境的數(shù)據(jù)庫(kù)，其可移植性好、使用方便、功能強(qiáng)，適用于各類大、中、小、微機(jī)環(huán)境。它是一種高效率、可靠性好的適應(yīng)高吞吐量的數(shù)據(jù)庫(kù)解決方案。

圖4

4、由圖4看出，本地計(jì)算機(jī)計(jì)量好數(shù)據(jù)后，存放在ACCESS的數(shù)據(jù)庫(kù)中，客戶端軟件把此數(shù)據(jù)讀入到SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)中，然后，再連接遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器，寫入ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)中，為了數(shù)據(jù)安全，ORACLE數(shù)據(jù)庫(kù)只提供了臨時(shí)表的寫權(quán)限。這里，之所以采用SQL SERVER數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，是由于一旦網(wǎng)絡(luò)中斷出現(xiàn)故障，本地客戶端具有續(xù)傳功能，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)時(shí)，還能把沒(méi)上傳的數(shù)據(jù)再次上傳。

五、標(biāo)定

軌道衡設(shè)備調(diào)試完成后，需要確定所計(jì)量的結(jié)果是否滿足使用，那么，就需要進(jìn)行標(biāo)定。這里，我們依據(jù)《動(dòng)態(tài)軌道衡檢定規(guī)程》進(jìn)行，即使用國(guó)家軌道衡計(jì)量站的5個(gè)不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼車，其重量分別為82t，76t，65t，47t，22t；按照一定的編組順序，進(jìn)行往返動(dòng)態(tài)稱重，所稱的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)符合檢定規(guī)程的要求。

由于我港軌道衡速度低，在初次安裝使用時(shí)，還進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試，即用不同重量的標(biāo)準(zhǔn)砝碼車停放在秤臺(tái)上，分別計(jì)量前后轉(zhuǎn)向架，累計(jì)后，計(jì)算整節(jié)車重量。靜態(tài)誤差應(yīng)優(yōu)于動(dòng)態(tài)誤差。

標(biāo)定好的軌道衡，即可投入使用了。

六、結(jié)束語(yǔ)

上述軌道衡技術(shù)方案通過(guò)采取機(jī)械、電器、軟件等方面的先進(jìn)技術(shù)和措施，減小了臺(tái)面沖擊及零漂對(duì)計(jì)量精度的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，軌道衡計(jì)量系統(tǒng)在計(jì)量精度、安全性和可靠性等方面都有了明顯提高。

[1]軌道衡原理.北京東方瑞威科技發(fā)展有限公司

[2]軌道衡技術(shù)手冊(cè).北京東方瑞威科技發(fā)展有限公司

[3]模擬數(shù)字電路.電子工業(yè)出版社

[4]WINDOW程S 序設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社

[5]數(shù)據(jù)庫(kù)的應(yīng)用與開(kāi)發(fā).人民郵電出版社

[6]傳感器原理及應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社

[7]動(dòng)態(tài)軌道衡鑒定規(guī)程.國(guó)家軌道衡計(jì)量站

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.12.028